超高速軸承H7014C/HQ1P4性能試驗(yàn)研究

楊立芳，王東峰，何強(qiáng)

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039；4.安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)床關(guān)鍵功能部件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000)

軸承作為高檔數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件之一，決定了數(shù)控機(jī)床的高速性能[1]。角接觸陶瓷球軸承、液體動(dòng)靜壓軸承和磁懸浮軸承均可滿足高速加工要求，但由于液體靜壓軸承需根據(jù)具體機(jī)床專門(mén)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低；磁懸浮軸承電氣控制部分復(fù)雜，制造成本高，所以其推廣應(yīng)用受到了很大限制[2-5]。陶瓷球材料由于密度小、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大等優(yōu)點(diǎn)，減少了球的離心力和陀螺力矩，有效提高角接觸陶瓷球軸承的高速及剛度等性能，因此得以廣泛應(yīng)用。

超高速軸承一般指dmn值大于1×106mm·r·min-1的軸承,其性能指標(biāo)主要包括振動(dòng)、熱性能、極值轉(zhuǎn)速、耐久性、精度壽命等。在已有研究的基礎(chǔ)上[6-7]，下文對(duì)角接觸陶瓷球軸承在噴射潤(rùn)滑下進(jìn)行了高速性能試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)軸承在不同轉(zhuǎn)速、軸向預(yù)緊力、油壓下的軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)，分析了三者對(duì)軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

試驗(yàn)設(shè)備為T(mén)30-70Nf主軸軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)軸系采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，一次同時(shí)安裝2套軸承，軸向預(yù)緊力施加于前支承，并通過(guò)試驗(yàn)軸傳遞至后支承。試驗(yàn)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為33 000 r/min，徑向載荷為0，軸向最大預(yù)緊力1 200 N。

圖1 試驗(yàn)軸系結(jié)構(gòu)

試樣為2套H7014C/HQ1P4型軸承，套圈材料為GCr15軸承鋼，陶瓷球材料為Si3N4，保持架材料為酚醛層壓布管。潤(rùn)滑方式為32#潤(rùn)滑油噴射潤(rùn)滑，每套軸承1個(gè)噴嘴，噴油量為1.6 L/min，供油壓力為參考值，0.2～0.6 MPa手動(dòng)可調(diào)，潤(rùn)滑油入口溫度為常溫。測(cè)溫、測(cè)振點(diǎn)均在被測(cè)軸承外圈上。

1.2 試驗(yàn)方法

首先對(duì)軸承進(jìn)行磨合試驗(yàn)，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 磨合試驗(yàn)參數(shù)

當(dāng)軸承各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均無(wú)異常(振動(dòng)或主機(jī)電流突變等)，才可進(jìn)行性能試驗(yàn)，否則應(yīng)停機(jī)查找原因。

磨合試驗(yàn)完成后，根據(jù)已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行若干次輔助試驗(yàn)。初步確定了性能試驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 性能試驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)的影響

在預(yù)緊力800 N、供油壓力0.5 MPa、初始溫度30.1～36.4 ℃下，轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)的影響分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫升的影響(60 min后)

圖3 不同轉(zhuǎn)速對(duì)主機(jī)振動(dòng)的影響(60 min后)

由圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，軸承溫升增大，即軸承內(nèi)部摩擦增大，發(fā)熱增加；振動(dòng)值也隨之增加，轉(zhuǎn)速在21 000 r/min內(nèi)，主機(jī)振動(dòng)變化不大，但高速時(shí)振動(dòng)值明顯增加；轉(zhuǎn)速達(dá)24 000 r/min時(shí)，5 min后軸承溫升達(dá)到34.2 ℃，主機(jī)振動(dòng)為1.07g(g為重力加速度)，且主軸電流過(guò)大。繼續(xù)進(jìn)行若干次更高速的試驗(yàn)，軸承溫升大幅增加，因此認(rèn)為試驗(yàn)軸承高速性達(dá)不到24 000 r/min。

2.2 軸向預(yù)緊力對(duì)軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)的影響

在初始油壓0.4 MPa、初始溫度50 ℃下軸向預(yù)緊力對(duì)軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)的影響分別如圖4、圖5所示。

圖4 預(yù)緊力對(duì)軸承溫升的影響

圖5 預(yù)緊力對(duì)主機(jī)振動(dòng)的影響

由圖4可以看出，軸承轉(zhuǎn)速(n=15 000 r/min)較低時(shí)，預(yù)緊力對(duì)軸承的溫升影響不大；轉(zhuǎn)速較高時(shí)，預(yù)緊力對(duì)軸承的溫升影響增大，且高速時(shí)預(yù)緊力不能過(guò)小。這是由于預(yù)緊力存在一個(gè)最佳值，預(yù)緊力過(guò)小會(huì)增加軸承的發(fā)熱。

由圖5可以看出，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，預(yù)緊力對(duì)振動(dòng)值影響不大；轉(zhuǎn)速較高時(shí)，預(yù)緊力對(duì)振動(dòng)值影響較大，且高速時(shí)，預(yù)緊力不能過(guò)小。在振動(dòng)值變化的平緩區(qū)，主機(jī)最大振動(dòng)值對(duì)應(yīng)一個(gè)預(yù)緊力，達(dá)到最大振動(dòng)值后，隨預(yù)緊力的增大，振動(dòng)值變化趨于平緩。

2.3 油壓對(duì)軸承溫升及主機(jī)振動(dòng)的影響

在初始溫度47～50 ℃、預(yù)緊力600 N下，油壓對(duì)軸承溫升和主機(jī)振動(dòng)值的影響分別如圖6、圖7所示。

圖6 潤(rùn)滑油壓對(duì)軸承溫升的影響

圖7 潤(rùn)滑油壓對(duì)主機(jī)振動(dòng)的影響

由圖6可以看出，當(dāng)油壓小于0.4 MPa時(shí)，軸承溫升隨油壓的增加而降低；當(dāng)油壓大于0.4 MPa時(shí)，軸承溫升降低幅度減小，尤其在高轉(zhuǎn)速下，溫升反而有緩慢增加的趨勢(shì)。低轉(zhuǎn)速下，隨著油壓增大，溫升減小較快。這主要是因?yàn)橛蛪涸黾?，即?rùn)滑油量增大可以帶走更多的熱量。當(dāng)油壓達(dá)到一定值后，熱量達(dá)到平衡狀態(tài)，軸承溫升變化不明顯。

由圖7可以看出，低轉(zhuǎn)速時(shí)，油壓的變化對(duì)主機(jī)振動(dòng)值影響不大；高轉(zhuǎn)速時(shí)，主機(jī)振動(dòng)值隨著油壓的增大而降低，但油壓增加到一定值(0.4 MPa)后，振動(dòng)值開(kāi)始緩慢增加。這是由于油壓較低時(shí)，潤(rùn)滑不充分，高速時(shí)導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，從而造成主機(jī)振動(dòng)增大；但油壓過(guò)大會(huì)給高速運(yùn)轉(zhuǎn)下軸承的潤(rùn)滑性能帶來(lái)不穩(wěn)定因素，也會(huì)增加主機(jī)振動(dòng)。

3 結(jié)論

1)隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承溫升增加，主機(jī)振動(dòng)值增大；低速時(shí)，主機(jī)振動(dòng)增加不明顯，高速時(shí)，振動(dòng)值顯著增大。轉(zhuǎn)速在24 000 r/min內(nèi)，軸承高速性能良好。

2)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，軸向預(yù)緊力對(duì)軸承的溫升、振動(dòng)影響不大；轉(zhuǎn)速較高時(shí)，預(yù)緊力對(duì)軸承的溫升、振動(dòng)影響增大，且高速時(shí)，預(yù)緊力不能過(guò)小。

3)油壓增大可以降低軸承的溫升，當(dāng)油壓達(dá)到一定值后，軸承溫升降低不明顯。低速時(shí)，油壓對(duì)主機(jī)振動(dòng)值影響不大；高速時(shí)，隨著油壓的增大，主機(jī)振動(dòng)值明顯下降，但油壓不能無(wú)限制增大，其值不宜超過(guò)0.4 MPa。